引言
LED(發(fā)光二極管)作為一種新型光源，具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、使用壽命長等其他光源無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，代表著未來照明技術(shù)的發(fā)展方向。本文設(shè)計(jì)了以AT89S51 單片機(jī)為核心的多功能白光LED 臺燈系統(tǒng)，采用PT4115 大功率LED 恒流驅(qū)動方案，可實(shí)現(xiàn)對LED 臺燈的PWM 調(diào)光控制;同時兼有時鐘日歷、聲光鬧鐘、溫度檢測、液晶顯示等多項(xiàng)功能。在實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的同時，為家庭使用提供了極大的便捷。
1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
該多功能LED臺燈系統(tǒng)采用20 只5mm 高亮白光LED 燈珠為光源，以AT89S51 單片機(jī)為主控芯片，由LED 恒流驅(qū)動系統(tǒng)、時鐘系統(tǒng)、測溫系統(tǒng)、液晶顯示系統(tǒng)、蜂鳴系統(tǒng)、按鍵系統(tǒng)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。
該系統(tǒng)可具體實(shí)現(xiàn)LED 臺燈的10 級PWM 調(diào)光控制;液晶屏實(shí)時顯示時鐘、日歷與環(huán)境溫度信息;鬧鐘功能采用聲光報(bào)警方式，即一旦到達(dá)鬧鐘時間，LED 臺燈自動點(diǎn)亮，并發(fā)出蜂鳴聲報(bào)警，以喚醒用戶;用戶可通過按鍵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對時鐘日歷與鬧鐘參數(shù)的設(shè)置、LED 亮度的調(diào)節(jié)以及鬧鐘報(bào)警的解除。
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圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
1.1 單片機(jī)主控系統(tǒng)
本設(shè)計(jì)主控系統(tǒng)采用ATMEL 公司的高性能AT89S51 芯片實(shí)現(xiàn)，其P0 口外接10K 的上拉電阻，P0.0~P0.7 同時作為DS12C887 的數(shù)據(jù)接口與液晶1602 的數(shù)據(jù)接口。P2.0~P2.3分別連接DS12C887 芯片的片選端CS、地址選通輸入端AS、數(shù)據(jù)選擇端DS 與讀/寫輸入端R/W,P3.2 連接其鬧鐘中斷請求輸出端IRQ.P2.5~P2.7 分別連接液晶1602 的使能端EN、數(shù)據(jù)/命令選擇端RS、讀/寫選擇端RW.P2.4 作為蜂鳴器控制端。P3.0 作為DS18B20 的信號輸入端。P3.1、P3.4、P3.5、P3.6 與P3.7 作為S2~S6 按鍵系統(tǒng)。P1.1 作為PWM 信號的輸出端并連接PT4115 芯片DIM 端，用于PWM 調(diào)光控制。系統(tǒng)晶振電路由12MHZ 晶振與兩個30PF 電容組成;復(fù)位電路則由S1 按鍵、10K 電阻與10uF 電解電容構(gòu)成。主控系統(tǒng)電路如圖2 所示。
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圖2 單片機(jī)主控系統(tǒng)電路圖
1.2 恒流驅(qū)動系統(tǒng)
本設(shè)計(jì) L ED 光源采用相互并聯(lián)方式，共由20 只5mm 高亮度小功率LED 燈珠組成;每只LED 燈珠的壓降約3.1V,工作電流約20mA.由白光LED 的正向伏安特性可知，當(dāng)LED 端電壓超過其正向?qū)妷汉?，較小的電壓波動都會導(dǎo)致工作電流的的劇烈變化，從而影響LED 的正常使用，固LED 宜采用恒流驅(qū)動方式。因此，本設(shè)計(jì)LED 采用高性能PT4115 恒流芯片驅(qū)動，PT4115 是一款連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源芯片，能將直流電壓直接轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的恒流輸出;其采用6~30V 寬電壓輸入，輸出電流可達(dá)1.2A,轉(zhuǎn)換效率高達(dá)97%,輸出電流精度達(dá)±5%.該芯片內(nèi)部含有抖頻特性，極大的改善EMI,同時具有過溫、過壓、過流、LED 開路保護(hù)等多種功能。該芯片適合用于綠色照明LED燈的驅(qū)動電路，具有應(yīng)用電路非常簡潔的優(yōu)點(diǎn)。LED 恒流驅(qū)動電路如圖3 所示。
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圖3 LED 恒流驅(qū)動系統(tǒng)電路圖
通過 PT4115 芯片上的DIM 端，可以方便的進(jìn)行模擬或PWM 調(diào)光。由于模擬調(diào)光是直接改變流過LED 電流的大小來實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)，除了亮度會改變以外，也會影響白光的質(zhì)量，即不同電流下發(fā)出的白光存在色偏。因此，本設(shè)計(jì)采用PWM 調(diào)光方案，PWM 調(diào)光的基本原理是保持LED 正向?qū)娏骱愣?，而通過控制電流導(dǎo)通和關(guān)斷的時間比例，即改變輸入脈沖信號的占空比，使LED 產(chǎn)生亮暗變化;并利用人眼的視覺殘留效應(yīng)，當(dāng)LED 亮暗變化頻率大于120Hz 時，人眼就不會感覺到閃爍，而看到是LED 的平均亮度。PWM 調(diào)光的優(yōu)勢是LED 正向?qū)ǖ碾娏魇呛愣ǖ?，LED 的色度就不會像模擬調(diào)光時產(chǎn)生變化。
PT4115 恒流驅(qū)動輸出的電流值計(jì)算公式為：
IOUT =(0.1×D)/ Rs (D 為方波信號占空比，Rs 為限流電阻。
本設(shè)計(jì) LED 光源采用20 只小功率白光LED 燈珠并聯(lián)方式，且每只LED 燈珠額定電流為20mA,則PT4115 恒流驅(qū)動輸出最大電流IOUT 應(yīng)為400mA,因此Rs 選取0.25 Ω 電阻。
L1 為鎮(zhèn)流電感，選取68μ H,用于穩(wěn)定通過LED 的電流。D1 是續(xù)流二極管，當(dāng)芯片內(nèi)部MOS 管截止?fàn)顟B(tài)時為儲存在電感L1 中的電流提供放電回路;由于工作在高頻狀態(tài)，D1 選用正向壓降小且恢復(fù)速度快的肖特基二極管SS24.
PWM 脈沖信號則由單片機(jī)P1.1 產(chǎn)生，其高低電平?jīng)Q定LED 的通斷狀態(tài)。將定時器T0溢出中斷定為1/2500 秒(即400μ S)，每10 次脈沖作為一個周期，即頻率為250HZ.這樣，在每1/250 秒的方波周期中，通過改變方波的輸出占空比，從而實(shí)現(xiàn)LED 燈的10 級亮度調(diào)節(jié)，即LED 亮度等級由每個周期內(nèi)的高電平脈沖數(shù)目決定。當(dāng)高電平脈沖個數(shù)為1 時，占空比為1/10,亮度最低，其調(diào)光原理如圖4 所示;當(dāng)高電平脈沖為10 時，占空比為1,LED亮度最高。
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圖 4 PWM 調(diào)光原理圖